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用超级电容器解决各种利基问题

2019-12-24 Bill Schweber 阅读:
用超级电容器解决各种利基问题
有许多有趣的利基应用,可以使用超级电容器来解决很小但却很烦人的问题。例如,在市售的掉电保持电路中使用超级电容器,可以在铁路模型的轨道间隙上提供电能。

我们无疑对超级电容器(supercap)都很熟悉,它能以很小的体积封装进数法拉电容。它们用来存储能量和电力的纤维束非常地细小。其最常见版本的正式名称是电化学(或简称为电)双层电容器(EDLC)。Nvdednc

早在1950年代和1960年代,“常规观念”是,考虑到传统的1000µF高密度电解装置,其对于低压装置而言尺寸约为200cm3,因此对于一般应用而言,即使是使用1法拉电容器也是个麻烦事,因为那会占据掉整个桌面或者机壳。当然,我们对技术永远不可能说“不”。通用电气(GE)在1950年代后期就开始研究超级电容器技术了。但直到1990年代,随着材料和制造技术的发展,业界才真正开发出既实用又实惠的标准超级电容器元件。Nvdednc

超级电容器存储和释放能量的过程,实际是在电极材料和电解质之间的界面上进行可逆的离子吸附和解吸。与电池(一次性/一次电池和充电/二次电池)的化学反应不同,它们使用物理电荷存储,因此可以非常快速地进行充电和放电(毫秒级到秒级)。由于没有化学反应,超级电容器的循环寿命也与二次电池不同,后者的充放电次数只能达到数千次,而前者则要长得多。Nvdednc

尽管超级电容与可充电电池之间的差异不可否认,但是由于它们最重要的功能都是用作补充能量,因此业界常拿它们二者来做比较。给定设计到底是用可充电电池还是超级电容取决于许多因素,包括应用所需功率的大小、持续时间和占空比。通常,标准(非超级)电容器可以提供大量功率,但每单位体积只能存储较少能量。相反,电池可以存储大量能量,但额定功率较低。超级电容器在能量与功率平衡方面处于两者之间,表1列出了一些比较属性。Nvdednc

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表1:这是对镍镉和锂离子可充电电池以及铝电解电容器和超级电容器主要属性的一种看法。(来源:基美电子Nvdednc

我发现超级电容器有个引人入胜之处是,有许多有趣的利基应用,可以使用它们来解决很小但却很烦人的问题。最近我在Model Railroader杂志上(但是要付费)看到了一篇文章,上面解释了如何在市售的掉电保持(stay-alive)电路中使用超级电容器,而在整个轨道间隙上提供电能。Nvdednc

这里对这种情况做个简要说明:如今的铁路模型不再使用向轨道(实际上就是电源轨)施加可变电压,而向火车头电动机提供直流电这种简单、明显的方法。取而代之的是,大多数模型已转移到称为数字命令控制(DCC)的网络方法。这种方法是将固定电压施加到轨道上,并在轨道上叠加了数字代码。每个火车头都有一个内部解码器,根据这个数字代码来控制电动机,告诉电动机行进的速度和方向,发出逼真的声音,以及控制前照灯/尾灯等等。DCC彻底改变了铁路模型的布线和工作,我们不再需要隔离、可切换的铁路部分(称为块,block)来在同一条电气和物理轨道上运行多列火车。Nvdednc

这是个好消息。不过,DCC这种网络系统在设置和故障排除方面通常会有麻烦。此外,轨道中出现任何间隙或轨道到引擎的电气通路遇到中断,都会失去动力流和网络连接。物理轨道看上去非常坚固,不会出现任何此类中断,但事实并非如此。这里存在两个主要问题:车轮与其取电碳刷之间会出现间歇性连接(污垢、振动),以及轨道“道岔”的转辙器处会出现连接丢失,如图1所示。Nvdednc

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图1:尽管轨道道岔的结构看起来很坚固,但它上面不可避免地存在间隙,因此在电力和信号的连续性上不尽人意。(来源:Thomas M. TuerkeNvdednc

超级电容器在这里就可以做出挽救。上述间隔时间通常只有几分之一秒,因此串联使用三到四个超级电容器(每个超级电容器的标称电压为2.5至3V),就可以为掉电保持电路供电,从而为机车提供动力。由于只有引擎功能变更需要用到网络连接,因此尽管在间隔时间内网络连接也会丢失,但这个问题不大。标准的掉电保持模块可从多个供应商处购买,例如Electronic Solutions Ulm、Digitrax、Soundtraxx、NCE和TCS。Nvdednc

这种解决方案成本适中,非常不错,但是有一个缺点就是,大多数火车头的空间(在较小的HO、N和Z比例下)非常有限,通常仅就摆放DCC解码器IC本身而言都很难找到空间,因此对于超级电容封装来说则会更难(较大的O和G比例则通常有空间)。有趣的是,通常已过时的蒸汽火车头模型由于有相关的煤水车,通常确实有空间可以放解码器和掉电保持超级电容器,而柴油模型的空间却非常有限。Nvdednc

具有讽刺意味的是,由于电池容量的提高,特别是在较大比例时,对超级电容器的需求可能会快速减少。尽管将物理轨道用作电源轨道非常有效并且成本也低(它们就在那里,不用白不用,对吧?),但一些建模人员就是不想用。取而代之的是,他们在火车头上设计可充电电池。当然,这完全解决了轨距问题,并且无需在火车头和所有车厢上使用绝缘的轮对和转向架。Nvdednc

这还消除了另一个常见的不可避免的麻烦,称为反向环路问题,在这种情况下,轨道转圈后返回本身,因此会使物理轨道的连接互换并造成瞬时短路(图2)。常见的解决方案是在轨道上切出一个很小的间隙,然后在火车处于环路中时,使用手动或自动开关反转环路的极性。但这样做可能付出惨痛代价。Nvdednc

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图2:使用轨道供电和传输数据的另一个问题是,如果轨道转圈后返回本身,除非添加间隙和轨道切换,否则就会发生短路。(来源:Azatrax LLCNvdednc

您是否将超级电容器用到过任何不寻常或聪明的应用?是否遇到过原本很小但很讨厌的问题,而用了它们后就恰好解决了呢?Nvdednc

Bill Schweber是位电子工程师,他撰写了三本教科书、数百篇技术文章、观点专栏和产品特写。Nvdednc

参考文献

1. Cap-XX, Supercapacitors Enable μPower Energy Harvesters to Power Wireless SensorsNvdednc
2. Kemet, Supercapacitors FC SeriesNvdednc
3. Science Direct, SupercapacitorsNvdednc
4. Explain That Stuff, How Do Supercapacitors Work?Nvdednc
5. Wikipedia, Supercapacitor: DevelopmentsNvdednc
6. Wikipedia, Digital Command ControlNvdednc
7. National Model Railroad Association, Beginners guide to Command Control and DCCNvdednc
8. DCC Wiki, DCC Tutorial (Basic System)Nvdednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Supercaps solve diverse niche problemsNvdednc

本文为《电子技术设计》2020年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Nvdednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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